超声波水袋预压模型试验方法与流程

1.本发明涉及土体预压的技术领域，尤其是一种超声波水袋预压模型试验方法。


背景技术：

2.在修筑路基时，为了防止工后沉降过大，在路基处理完之后需要进行加载预压，达到设计沉降要求之后方可进行后续施工。传统堆载预压方法多采用砂石料、土料等重物进行堆载，堆载材料的转场、计重过程需动用大量人工、机械，费时费力。
3.目前还没有利用超声波发生器振动产生的波动水进行地基预压的施工设备和方法，因此还有很多问题亟待进行进一步研究，如超声波频率大小、激振时间对预压效果的影响如何，另外，超声波激振器在水袋中的空间放置位置对振动的传播是否有影响、水袋中水介质的水量的多少对振动传播的影响，以及这些影响的大小和规律如何，再加上对不同土性条件的考虑，还需要进行大量的有针对性的试验进行深入研究。
4.但目前还没有专门的配套试验设备能够针对以上这些问题进行试验，如果直接进行现场试验，试验条件难以控制，容易受到如降雨降雪、气温变化、周边环境荷载、土质不均等外部因素的干扰，试验误差大，而且费时费力。因此，有必要专门针对所要研究的内容研制配套的试验设备。目的是通过一系列针对性试验，得到不同试验条件下，单个参数及不同参数组合对超声波水袋预压过程中土压力、加速度和沉降变形等指标的影响规律，通过这些指标的变化去评判预压效果，进一步确定最佳的参数组合。
5.而且超声波水袋预压试验涉及到的试验操作步骤较多，包括水袋的安装、注水、排水，水量控制，超声波激振器参数设置等，若将这些操作步骤进行集成并采用自动化精确控制，无疑可以提高试验的便捷性，减少人工操作误差，使试验人员有更多精力对试验设计及数据的分析研究。


技术实现要素：

6.本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种超声波水袋预压模型试验方法，通过在水袋内设置超声波激振器，可以实现对土体的振动预压，并通过设置无线土压力盒、无线加速度计以及激光位移计，用于研究土体沉降变形规律。
7.本发明目的实现由以下技术方案完成：一种超声波水袋预压模型试验方法，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：在模型箱内装入土样并在所述土样内埋设用于监测所述土样的土压力的无线土压力盒和用于监测所述土样的加速度的无线加速度计；对所述土样进行预固结处理；在所述土样上表面摊开摆放水袋并在所述水袋内安装超声波激振器，在所述土样外部设置用于监测所述土样的沉降变形的激光位移计；往所述水袋内注水，启动所述超声波激振器，通过所述水袋内的水对所述土样进行振动预压，并采集所述无线土压力盒、所述无线加速度计和所述激光位移计的测量数据；排出所述水袋内的水并取出所述水袋内的所述超声波激振器，将所述水袋折叠收纳并整理所述模型箱。
8.所述模型箱内铺设所述土样的方法包括以下步骤：在所述模型箱内底面铺设有土工布，在所述模型箱内逐层铺设所述土样，所述模型箱内预设有位于不同高度的若干监测层，每铺设至预设的所述监测层高度时，在所述土样中埋设所述无线土压力盒和所述无线加速度计。
9.对所述模型箱内的所述土样进行预固结的方法包括以下步骤：在完成所述模型箱内所述土样的铺设后，在所述土样的上表面铺设一加载板，对所述加载板施加竖向荷载以对所述土样进行预固结，施加竖向荷载的过程中所述土样中的水通过所述模型箱各侧壁面上间隔分布的排水孔向外流出。
10.所述模型箱的底部四周设置有一圈集水槽，所述集水槽底部开设有一排水管。
11.所述超声波激振器通过连接线同超声波激振器控制器电连接且所述连接线上设置有刻度。
12.所述超声波激振器通过所述水袋上的超声波激振器安装口安装在所述水袋内，其中，所述超声波激振器安装口通过密封盖进行密封，所述超声波激振器通过穿过所述密封盖的所述连接线悬吊于所述水袋内部。
13.所述水袋上设置有注水口和排水口，所述注水口通过出水管同水箱内的水泵连接，所述排水口通过进水管同所述水箱连接；所述出水管上设置有流量计，所述水箱上设有水位计。
14.所述水袋上设置有充气孔，所述充气孔通过气路管道同充气泵连接且所述气路管道上设置有大气连通管道和气压计。
15.所述无线土压力盒、所述无线加速度计以及所述激光位移计均通讯连接于数据采集器，所述数据采集器通讯连接于计算机处理终端；所述超声波激振器控制器与所述计算机处理终端均通讯连接于总控制器。
16.所述激光位移计的激光发射端正对于所述土样的上表面且所述激光位移计通过激光位移计支架同所述模型箱连接。
17.本发明的优点是：可便捷准确的获得不同土性、水袋不同水量、超声波不同激振频率（包括与超声波激振器关闭的静压条件下的对比）、不同激振时间、激振器不同空间位置等试验条件下，下部土体的土压力、加速度和沉降变形等数据，可针对性的对超声波水袋对下部土层的预压机理进行研究，为实际工程施工中水袋各项参数的设置提供指导。
附图说明
18.图1为本发明超声波水袋预压模型试验系统的结构示意图；图2为本发明超声波水袋预压模型试验系统的平面视图。
具体实施方式
19.以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：如图1-2所示，图中标记1-30分别表示为: 模型箱1、土样2、水袋3、超声波激振器4、连接线5、超声波激振器控制器6、超声波激振器安装口7、充气孔8、注水口9、水箱10、水泵11、出水管12、进水管13、流量计14、排水孔15、集水槽16、排水管17、大气连通管道18、无线
土压力盒19、无线加速度计20、激光位移计21、气路管道22、充气泵23、阀门24、激光位移计支架25、数据采集器26、计算机处理终端27、气压计28、水位计29、总控制器30。
20.实施例：如图1-2所示，本实施例涉及一种超声波水袋预压模型试验方法，其试验方法包括以下步骤：1、制备土样2，将土样2捣碎后加入适量的水，搅拌均匀后备用。
21.2、平整试验场地，确保模型箱1放置水平无倾斜。
22.其中，模型箱1采用钢板制成，用于容纳土样2；模型箱1的四周侧壁面上间隔开设有若干排水孔15，模型箱1的底部四周焊接有一圈集水槽16，集水槽16底部连接有一根排水管17。
23.3、在模型箱1内底面上铺设一层土工布，将制备好的土样2分层装入模型箱1内，每铺设一层土样2进行平整，确保土层中尤其是边角位置无大的空腔。其中，土工布的设置，可以防止土样2预固结过程中堵塞排水孔15。
24.4、在铺设后一层土样2时将前一层土样2的表面进行刮毛处理，当铺设到监测点位置高度时，埋设土压力盒19和加速度计20，分别用于测量预压土层内部的土压力、加速度。其中，在水平方向上，无线土压力盒19和无线加速度计20在水袋3投影的中心点、角点、中心点和角点连线的外延线上等距埋设，在竖直方向上，无线土压力盒19和无线加速度计20均选取不同深度进行埋设。
25.5、模型箱1内土层填筑完成后，在土层表面铺上加载板（刚性板），在加载板上逐级施加荷载，对土层进行预固结，使土体达到设计的密实度，预固结过程中土层中的水通过模型箱1上的排水孔15排至集水槽16，然后由连接集水槽16的排水管17排出。预固结完成后，撤去加载板。
26.6、在土层表面中心位置摊开铺设水袋1，通过气路管道22将水袋1上的充气孔8与充气泵23连接，通过出水管道12将水袋1的注水口9与水箱10内的水泵11相连，然后根据试验方案将超声波激振器4通过水袋1顶部对应的超声波激振器安装口7放入水袋1内，调整好连接线5长度并旋紧超声波激振器安装口7的密封盖，连接线5另一端连接超声波激振器控制器6。在模型箱1上安装激光位移计支架25，固定激光位移计21使其对准监测点，并连接至数据采集器26。
27.其中，水袋3采用耐磨抗折抗侵蚀材料制作，水袋3顶部设置有一个注水口9、一个充气孔8以及五个超声波激振器安装口7，水袋3底部设置有一个排水口。超声波激振器4通过水袋3上的超声波激振器安装口7安装在水袋3内，其中，超声波激振器安装口7通过密封盖进行密封，超声波激振器4通过穿过密封盖的连接线5悬吊于水袋1内部。超声波激振器4通过连接线5同超声波激振器控制器6电连接，并且连接线5上设置有刻度，通过控制连接线5的长度来调节超声波激振器4在水袋3中垂直方向的位置。超声波激振器安装口7在水袋1顶部沿对角线方向和垂直于边长方向间隔设置，多个超声波激振器安装口7配合连接线5长度的调节，可实现在一个水袋3中调节超声波激振器4不同空间位置，用于研究超声波激振器4空间放置位置对振动传播的影响。若取出超声波激振器4，水袋3可作为常规静压水袋，能适用于地基分级堆载预压试验。此外，超声波激振器控制器6通讯连接于总控制器30，可在计算机处理终端27直接输入试验设计的激振频率、激振时间参数，指令发出后经总控制器30至超声波激振器控制器6，实现对超声波激振器4参数的控制，试验过程中激振参数可
通过计算机处理终端27实时显示。通过调节超声波激振器4参数，分析研究超声波频率、时间等因素对振动传播的影响规律。
28.充气孔8通过气路管道22同充气泵23连接且气路管道22上设置有大气连通管道18和气压计28，具体地，气路管道22上（从充气泵23到水袋3的方向）依次设有阀门24、气压计28和大气连通管道18，并且大气连通管道18上也设置有一个阀门24。进行试验时，在向水袋3注水之前，先通过充气泵23向水袋3内充满气，停止充气后若气压计28监测到的气压在一段时间内不发生变化，说明水袋3密封无泄漏，若气压持续下降，说明水袋3有破损泄露，需要进行维修或更换后试验，另外通过充气也能使水袋3摊开成型，便于对水袋3放置位置进行微调以及后续注水。在试验结束之后，还可以通过向水袋3内充气，使袋内气压增大，加快水的排出速度。通过在气路管道22上设置大气连通管道18，控制水袋3与大气的连通，可以保持水袋3内的气压平衡，防止充水和排水过程中水袋3内部压力变化影响试验。此外，充气泵23、气路管道22上的阀门24和气压计28以及大气连通管道18上的阀门24均与总控制器30通讯连接，试验开始前通过计算机处理终端27发出“自检”指令至总控制器30，总控制器30可自动控制充气泵23进行充气，然后通过气压计28的实时监测值自动判断水袋3是否漏气。水袋3注水时也能自动控制大气连通管道18上的阀门24的开闭，以维持水袋3内压力平衡。在试验结束进行水袋3排水时可自动打开气路管道22上的阀门24向水袋3内充气以加速排水。
29.注水口9通过出水管12同水箱10内的水泵11连接，排水口通过进水管13同水箱10连接。出水管12上设置有流量计14，用于精确控制水袋3水量，可实施不同水量的分级加载。水箱10上设有水位计29，可通过水位变化对水袋3的注水量或排水量进行大致估算。本实施例中，出水管12上（从水泵11到水袋3的方向）依次设置有阀门24和流量计14，进水管13上也设置有阀门24。其中，水泵11、水位计29、出水管12上的阀门24和流量计14以及进水管13上的阀门24均与总控制器30通讯连接，在计算机处理终端27输入设计注水量之后，流量计14监测到的注水流量可实时反馈给总控制器30，当达到输入值之后，总控制器30自动控制关闭出水管12上的阀门24停止注水。水箱10上的水位计29监测到的数值也会通过总控制器30采集显示，当水箱10中水位过低时会自动提示加水。
30.7、关闭出水管道12、进水管13上的阀门24，打开气路管道22上的阀门24并关闭大气连通管道18的阀门24，然后启动充气泵23向水袋1内充气。
31.8、待水袋1充气至饱满后，关闭气路管道22的阀门24和充气泵23，静置检查水袋1是否有漏气，微调水袋1至设计的放置区域。
32.9、打开出水管道12、大气连通管道18上的阀门24，启动水箱10内水泵11对水袋1进行注水，同时通过流量计14观测注水流量。
33.10、达到试验设计的注水量之后，关闭水泵11和出水管道12上的阀门24。
34.11、根据试验方案设置超声波激振器4参数，开始试验，同时采集试验数据。
35.其中，无线土压力盒19和无线加速度计20均埋设于土样2内，测得的信号可实时传输至数据采集器26，经初步处理后传输到计算机处理终端27。因该试验埋设的监测传感器较多，采用无线传输方式可最大限度减小监测仪器线材对试验结果的影响，同时也提高了仪器埋设的准确性和便捷性。激光位移计21设于土样2外，具体地，模型箱1的侧板上设置有激光位移计支架25，激光位移计21固定在激光位移计支架25上，可通过激光位移计支架25
调节实现对地表不同点位的位移监测，激光位移计21与数据采集器26相连，可将采集的数据实时传输至计算机处理终端27，并且在测量的过程中，激光位移计21的激光发射端正对于土样2的上表面（监测点）。监测数据传输至计算机处理终端27后，计算机处理终端27可通过预先设置的试验结束条件，如沉降达到多少后结束试验，对试验进程进行控制，采集到的各项监测数据自动存储至硬盘。无线土压力盒19和无线加速度计20的埋设位置在水袋3正下方、水袋3边缘角点投影下方以及距水袋3投影外一定距离的不同深度处分别设置，主要用于研究水袋振动波在下部土体中的传播路径、扩散范围、衰减规律等。
36.12、试验结束后，关闭仪器，打开气路管道22、进水管13上的阀门24，启动充气泵23，水在重力及气压作用下排至水箱10。
37.13、待水完全排出后，撤去超声波激振器4、水箱10、充气泵23及相应的连接管，将水袋3折叠收纳，整理模型箱1，以备下次试验。
38.本实施例的有益技术效果为：（1）可便捷准确的获得不同土性、水袋不同水量、超声波不同激振频率（包括与超声波激振器关闭的静压条件下的对比）、不同激振时间、激振器不同空间位置等试验条件下，下部土体的土压力、加速度和沉降变形等数据，可针对性的对超声波水袋对下部土层的预压机理进行研究，为实际工程施工中水袋各项参数的设置提供指导；（2）专门针对超声波水袋预压这种新的地基预压方法的研究进行设计，可实现对不同参数的模拟：超声波激振器在水袋中空间位置、水袋注水量、超声波频率、激振时间等，以及这些参数的任意组合。可用于研究这些参数的影响性；（3）试验自动控制系统，包含了水箱供水装置、充气自检装置、超声波控制装置。水箱供水装置可实现对水袋的注水、排水、流量控制的自动操作，充气自检装置可自动辅助对水袋密封性检测、水袋成型、排水等操作，超声波控制装置可自动控制激振器的频率、时间等参数。各装置通过总控制器与计算机终端进行数据交换，实现自动控制；（4）试验过程中的土压力、加速度数据可无线实时传输至计算机终端，避免了有线传输时连接线埋设操作，位移计可在不接触土层情况下实现对地表沉降位移的监测，这些都减小了监测设备埋设对试验结果的影响。监测数据可实时反馈，控制系统自动判断试验结束条件。
39.虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。